Métodos de separación de mezclas

I.- Separación de mezclas heterogéneas

Las técnicas más utilizadas para separar mezclas heterogéneas son la filtración y la decantación.

• La filtración: se utiliza para separar una sustancia sólida de una líquida, normalmente para suspensiones finas, en las que las partículas del sólido dispersas en un sólido son de tamaño pequeñas. Para ello se hace pasar la mezcla por un filtro fino capaz de retener las partículas sólidas y dejar pasar el líquido.

• La decantación: se utiliza para separar una sustancia sólida de una líquida o dos sustancias líquidas. Para ello se deja reposar la mezcla para que el componente más denso se quede en el fondo, y después separar la sustancia menos densa que queda en la parte superior vertiéndola con cuidado.

II.- Separación de mezclas homogéneas

Las técnicas más utilizadas para separar mezclas homogéneas o disoluciones son la destilación y la cristalización.

• La destilación: se utiliza para separar los componentes de una disolución entre líquidos o entre un sólido y un líquido. Consiste en separa el soluto del disolvente teniendo en cuenta la diferencia en los puntos de ebullición.

La destilación se utiliza en la industria, permitiendo procesos como la obtención de bebidas alcohólicas, refinado del petróleo, obtención de productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos. Es uno de los procesos de separación más extendidos.

• La cristalización: se utiliza para separar los componentes de una disolución formada por un sólido y un líquido. Consiste en separar ambos componentes teniendo en cuanta la facilidad del liquido para pasar a gas, es decir teniendo en cuenta su volatilidad. Para ello se deposita la disolución en un cristalizador que es un recipiente donde el liquido se va evaporando lentamente y aparece el sólido en el fondo del recipiente en forma de cristales.

A continuación un video de un experimento de critalización:

https://www.youtube.com/watch?v=Vo29NUA4aSQ

Las Disoluciones

Una disolución es una mezcla homogénea, es decir, una mezcla de 2 o más componentes que no reaccionan entre sí, siguen siendo los mismos después de mezclados, y además por ser homogénea no se ven o diferencian sus componentes a simple vista después de mezclados.

Componentes de una disolución

En una disolución encontramos 2 componentes:

• El soluto es la sustancia que se disuelve y es el que se encuentra en menor proporción, por ejemplo en la mezcla de agua y azúcar, el soluto sería el azúcar.

• El disolvente es la sustancia que disuelve al soluto y se encuentra en mayor proporción, en nuestro ejemplo sería el agua.

Existen diversos tipos de disoluciones dependiendo del estado (sólido, líquido o gaseoso) en que se presente el soluto y el disolvente: 

• Las más  comunes son las constituidas por un soluto sólido y un disolvente líquido como el agua del mar.
• Las aleaciones el soluto y el disolvente son sólidos.
• Hay otros casos de disoluciones como las bebidas gaseosas (gas en líquido), el aire (gas en gas), los aerosoles (líquido en gas) o el alcohol en agua (líquido en líquido).

¿Cómo expresamos de forma cuantitativa la composición de una disolución?

Se expresa mediante su concentración, que expresa, de forma numérica, la relación entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolución y se puede expresar de diferentes formas y unidades.

En la concentración g/L no debemos confundir con la densidad g/L ya que la concentración es la masa de soluto por unidad de volumen de disolución y la densidad es la masa total de la disolución por unidad de volumen.

¿Qué es una mezcla?

Una mezcla es una materia de composición variable, es decir una materia formada por dos o más sustancias puras que se pueden separar utilizando métodos físicos.

Las mezclas no tienen una fórmula química que las defina como por ejemplo la mezcla de agua y serrín.

¿Qué tipos de mezclas podemos encontrar?

En una mezcla las sustancias puras no se combinan químicamente por lo que cada una mantiene su identidad y propiedades químicas.

Según si se pueden distinguir o no los componentes de una mezcla, cabe distinguir entre:

• Mezclas heterogéneas: son aquellas en las que se pueden distinguir sus componentes a simple vista o con un microscópico óptico (ejem: agua + aceite).
• Mezclas homogéneas: son aquellas en las que a simple vista o con el microscópico óptico no se pueden distinguir sus componentes (ejem: agua + azúcar o el agua + sal, cuando cogemos agua del mar en un cubo no somos capaces de distinguir sus componentes, para ello tendríamos que utilizar algún método de separación de mezcla como la destilación).

Junto con las mezclas homogéneas y heterogéneas encontramos otras mezclas más particulares:

• Disolución acuosa: es una disolución en la que su componente mayoritario es el agua (ejem agua + sal).
• Aleación: es una mezcla homogénea de dos o más elementos de los cuales uno de ellos es un metal (ejem: una joya hecha de oro blanco).
• Coloide:es una mezcla formada por dos fases: una continua y otra dispersa (ejem: la gelatina donde la fase continua es sólida y la fase dispersa es líquida).

¿Cómo se clasifica la materia?

Se puede clasificar la materia de dos formas:

1.- Según su uniformidad distinguimos:

• Materia homogénea: aquella cuyos componentes no se pueden distinguir a simple vista como el agua pura.

• Materia heterogénea: aquella que a simple vista se pueden distinguir sus componentes como el granito.

En el granito se puede distinguir que el mismo es la mezcla de cuarzo, mica y feldespato.

2.- Según su composición distinguimos:

• Sustancias puras: aquellas que tienen una composición constante y no puede separarse en sustancias más sencillas mediante procedimientos físicos como el oro. 

• Las mezclas: aquellas que tienen una composición variable porque están compuestas por varias sustancias puras y se pueden separar en sustancias más sencillas mediante procedimientos físicos como la mezcla de agua y azúcar.

Las sustancias puras

Cómo hemos dicho antes las sustancias puras son aquellas que tienen una composición constante y no se pueden separar en sustancias más sencillas mediante procesos físicos.

Además de esto, las sustancias puras tienen unas propiedades características que son:

1. La temperatura de ebullición
2. La temperatura de fusión
3. Densidad

Podemos identificar una sustancia pura porque:

1. Están formadas por partículas iguales
2. Tienen una composición constante
3. Tienen propiedades características (las enumeradas anteriormente).
4. Por no poder separarse en sustancias más sencillas mediante procedimientos físicos.

Tipos de sustancias puras:

• Los elementos: son aquellas sustancias puras que no se pueden dividir en otras más sencillas. Son elementos todos los elementos químicos de la tabla periódico como por ejemplo el hierro (Fe).

• Los compuestos: son aquellas sustancias puras que se pueden dividir en otras más sencillas mediante procedimientos químicos. Esas sustancias están formadas por la unión dos o más elementos de la tabla periódica en proporciones fijas y tienen una fórmula química que describe los elementos que la forman y su cantidad. Por ejemplo el agua es una sustancia pura (H2O) que si la sometemos a electrolisis (proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad) podemos separar el oxígeno y el hidrógeno. 
  

¿Cómo se representan las sustancias puras?

A los elementos se les representa mediante un símbolo y a los compuestos mediante una fórmula química, por ejemplo:

Elementos      Símbolo                Compuestos                Fórmula química
Oro                Au                        Agua                           H2O
Calcio            Ca                        Sal común                   NaCl     
Hierro            Fe                        Monóxido de carbono   CO

¿Cómo es el modelo cinético-molecular de cada uno de los tres estados de la materia?

El modelo cinético-molecular de los 3 estados de la materia depende de cómo actúe sobre ellos la fuerza de cohesión, así podemos ver que:

- Modelo cinético-molecular del estado sólido:

La fuerzas de cohesión son muy altas por lo que las partículas están unidas entre sí y tienen una posición fija por lo que no pueden desplazarse.

Las características son:
- No se expanden
- No se comprimen
- Tienen volumen y formas constantes
- Densidad muy alta debido a que las partículas están muy unidas

- Modelo cinético-molecular del estado líquido:

Las fuerzas de cohesión y de repulsión son del mismo orden por lo que sus partículas pueden moverse pero sin separarse unas de otras. Esto hace que los líquidos se adapten a la forma del recipiente que los contiene.

Las características son:
- No se expanden
- Se comprimen con dificultad
- Tienen volumen constante y forma variable
- Densidad más baja que la de los sólidos por tener sus partículas más separadas.

- Modelo cinético-molecular del estado gaseoso:

Las fuerzas de atracción de las partículas es despreciable por lo que las mismas están muy separadas las unas de las otras teniendo libertada para desplazarse. Los choques de las partículas contra la pared del recipiente es el que causa la presión del gas.

Las características son:
- Se expanden
- Se comprimen
- Tienen volumen y forma variable
- Densidad muy baja por tener sus partículas totalmente separadas.

¿De qué depende el volumen que ocupa un gas?

El volumen que ocupa un gas depende de la temperatura, presión y volumen así:

- A temperatura constante: La presión del gas aumenta y su volumen disminuye.

- A presión constante: La temperatura aumenta y su volumen también.

- A volumen constante: La temperatura aumenta y la presión también.

Para medir la temperatura se utiliza el termómetro que mide el calor de un cuerpo y se mide en grados Kelvin (k) (nosotros usamos ºC).

Para medir la presión se utiliza el manómetro que mide la relación entre la fuerza que se realiza sobre un objeto y la superficie sobre la que se realiza. Se mide en Pascales (Pa).

Para medir el volumen se calcula el volumen del recipiente que lo contiene e indica el espacio que ocupa un determinado material. Se mide en metros cúbicos (m3).

¿Cómo se producen los cambios de estado?

Se llama cambio de estado al paso de un estado de la materia a otro.

Podemos distinguir los siguientes cambios de estado:

• DE SÓLIDO A LÍQUIDO: Se denomina fusión  y se produce cuando se aumenta la temperatura del sólido.
• DE LÍQUIDO A SÓLIDO: Se denomina solidificación y se produce cuando se disminuye la temperatura del líquido.
• DE LÍQUIDO A GAS: Se denomina vaporización y se produce cuando se aumenta la temperatura de un líquido.
• DE GAS A LÍQUIDO: Se denomina condensación y se produce cuando se disminuye la temperatura de un gas.
• DE SÓLIDO A GAS: Se denomina sublimación.
• DE GAS A SÓLIDO: Se denomina sublimación inversa.

Los anteriores cambios de estado se producen a una temperatura característica de cada sustancia y se denomina:

- Temperatura o punto de fusión para el paso de sólido a líquido y de líquido a sólido. En el agua el punto de fusión es de 0ºC.
- Temperatura o punto de ebullición para el paso de líquido a gas y gas a líquido.En el agua el punto de ebullición es de 100ºC.

En este blog voy a ir exponiendo lo que vamos haciendo y aprendiendo en las clases de Física y Química.

En esta semana hemos seguido trabajando el tema 2 sobre "La Materia". 

Hemos aprendido que la materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio así como que toda materia tiene unas propiedades que pueden ser extensivas/extrínsecas (dependen de la cantidad de sustancia o tamaño del sistema, como el volumen) o intensivas/intrínsecas (no dependen de la cantidad de la sustancia o tamaño del sistema, como la densidad).

Hemos estado trabajando cómo calcular la densidad de la materia a través de su masa y volumen (fórmula d=m/v), es decir la relación entre su masa y el volumen que ocupa.

La densidad se mide en kg/m3 y es una propiedad intensiva/intrínseca.

Para practicar lo anterior no sólo hemos realizado ejercicios en las sesiones que nos ha entregado nuestra profesora sino que también hemos hecho un pequeño experimento, en mi caso, calcular la densidad de una piedra irregular para ello:

1º se pesa la piedra para obtener su masa.
2º para calcular su volumen se llena un vaso medidor con agua, después se introduce la piedra en el agua, vemos que el volumen ha aumentado. El volumen de la piedra será la diferencia del volumen del agua + la piedra menos el volumen del agua. Y ya podremos calcular la densidad aplicando la fómula.

Asimismo hemos analizado los estados en los que se encuentra la materia: sólido, líquido y gaseoso.

La materia puede variar de estado según la presión y temperatura en la que se encuentre. Cuando la materia cambia de estado su masa se mantiene constante pero su volumen varía.

Hemos realizado un breve informe sobre el plasma llegando a la conclusión de que es el llamado "cuarto estado de la materia", un estado muy parecido al gaseoso, que se da cuando sometemos a la materia temperaturas superiores a 10000ºC, por lo que en ese momento los átomos de la materia pierden algunos de sus electrones y se convierten en iones, así la materia se convierte en un conjunto de iones positivos y electrones.

También hemos visto el modelo cinético molecular de la materia propuesto por científicos entre los siglos XIX y XX, que establece:

1.- Que la materia está formada por gran número de partículas pequeñas separadas entre sí.

2.- Que la partículas están en constante movimiento.

3.- El movimiento de las partículas depende de 2 tipos de fuerzas: la fuerza de repulsión (hace que las partículas se dispersen y alejen) y la fuerza de cohesión o atracción (hace que las partículas se mantengan unidas).

Esto aplicado a los distintos estados en los que se puede encontrar la materia vemos que:

- en estado sólido: las partículas están unidas y no se desplazan.

- en estado líquido: las partículas pueden desplazarse pero sin alejarse mucho entre ellas.

- en estado gaseoso: las partículas están muy separadas y se mueven libremente.